隧道掘進機刀具破巖綜合試驗臺電氣系統(tǒng)的研制

王國政，王國濤

(中鐵工程裝備集團盾構(gòu)制造有限公司，河南 鄭州 450016)

0 引言

隨著地下空間建設(shè)的蓬勃發(fā)展，TBM法在國內(nèi)得到了迅速發(fā)展。TBM法已成為隧道、地鐵、水利水電等地下工程施工的主要施工方法之一［1］。TBM設(shè)計和使用的關(guān)鍵理論是其刀盤上的滾刀與巖石的相互作用理論。研究滾刀的破巖規(guī)律，尤其是滾刀作用下巖石的裂紋擴展機制，滾刀與巖石的相互作用力、貫入度等對合理的刀具選擇與刀盤布置及提高TBM的掘進能力，具有重要意義［2］。國內(nèi)外學(xué)者，特別是破巖設(shè)備廠商，在壓頭靜力侵入巖石試驗的基礎(chǔ)上，對滾壓破巖作了大量研究。張照煌等［3］從滾刀運動學(xué)出發(fā)，研究滾刀結(jié)構(gòu)參數(shù)對切削過程的影響，并就滾刀回轉(zhuǎn)切削時內(nèi)外側(cè)的切削軌跡進行分析。宋克志等［4］、楊金強［5］、丁俊宏等［6］通過大量的實驗及理論分別就滾刀對地質(zhì)條件的適應(yīng)性、切削力及結(jié)構(gòu)參數(shù)、地質(zhì)參數(shù)的關(guān)系進行了研究?？梢钥闯?，近年來，刀盤刀具破巖能力與刀盤扭矩、刀盤轉(zhuǎn)速、推力、侵深等因素相互影響方面的研究比較少。本文重點介紹該刀具破巖檢測試驗臺的電氣系統(tǒng)方案及實現(xiàn)功能情況。

1 刀具破巖試驗臺

該試驗臺主要由結(jié)構(gòu)本體、液壓系統(tǒng)及電氣系統(tǒng)3部分組成。

1)結(jié)構(gòu)本體。移動導(dǎo)向、主驅(qū)動、固定導(dǎo)向、刀盤、轉(zhuǎn)軸支座及皮帶機。

2)液壓系統(tǒng)。液壓泵站、推進系統(tǒng)及刀盤驅(qū)動系統(tǒng)。

3)電氣系統(tǒng)。刀盤電機控制系統(tǒng)、油缸推進控制系統(tǒng)及皮帶機控制系統(tǒng)。

刀具破巖試驗臺總成如圖1所示。

圖1 試驗臺總成圖Fig.1 Assembly of test bench

掘進切削實驗平臺通過控制油缸的同步推進，推進速度可調(diào)，刀盤轉(zhuǎn)速可調(diào)，再配合聲發(fā)射系統(tǒng)及高速攝像機，可進行刀盤刀具的連續(xù)破巖指標測試及刀具的單項指標測試。生成掘進中的轉(zhuǎn)速－扭矩曲線，推力－侵深曲線為盾構(gòu)刀盤刀具數(shù)字化設(shè)計提供依據(jù)。

2 電氣系統(tǒng)

2.1 試驗臺供配電系統(tǒng)

考慮到試驗臺中所用電機均為三相異步電動機，電機采用直接啟動或軟啟動器啟動，在工作過程中存在較大無功功率。若不進行無功補償，會造成用電負荷增加，影響實驗室其他實驗設(shè)備。故考慮通過并聯(lián)電容器補償無功功率。

試驗臺動力電有實驗室變壓器分出獨立380 V供電，無功補償需將功率因數(shù)補償?shù)?.9以上，故需考慮試驗臺所需分配的變壓器容量及需添加的補償電容器大小。

2.1.1 刀盤試驗臺總負荷計算

刀盤電機160 kW。

推進電機75 kW。

補油泵電機5.5 kW。

皮帶機電機5.5 kW。

總有功功率=160+75+5.5+5.5=246 kW。

補償前功率因數(shù)為0.75。

2.1.2 變壓器容量計算及補償計算

2.1.2.1 試驗臺計算負荷

在負荷計算中，電力變壓器的功率損耗可按下列簡化公式近似計算:

有功損耗ΔPT≈0.015 S30;

無功損耗 ΔQT≈0.06 S30。

式中為變壓器二次側(cè)的視在計算負荷。

變壓器低壓側(cè)有功計算負荷P30=246 kW。

無功計算負荷Q30=P30×tan arccos 0.75=217 kvar。

2.1.2.2 補償前變壓器所需的容量

2.1.2.3 平均功率因數(shù)

本系統(tǒng)中主要的無功功率的產(chǎn)生是由于交流異步電機實際負荷低于額定負載所至。異步電機在額定負載時的功率因數(shù)較高，為0.85～0.89，而空載或輕載時的功率因數(shù)只有0.2～0.3。但輕載時的功率因數(shù)低，此時的電流值也小，所以計算電機最大需要補償?shù)臒o功功率不能簡單地取空載時的無功功率。根據(jù)經(jīng)驗值通?？梢?5%負荷時為計算點。本設(shè)計取補償前的功率因數(shù)平均為0.75。

按規(guī)定，變電所高壓側(cè)的cos φ≥0.9，考慮到變壓器本身的無功功率損耗ΔQT遠大于其有功功率損耗Δ PT，一般ΔQT=(4～5)ΔPT，因此在變壓器低壓側(cè)進行無功補償時，低壓側(cè)補償后的功率因數(shù)應(yīng)略高于0.9，這里取 cos φ'≥0.92。

要使低壓側(cè)功率因數(shù)由0.75提高到0.92，低壓側(cè)需裝設(shè)的并聯(lián)電容器容量

由于配置電容器組多為整數(shù)，這里取QC=120 kvar。

補償系統(tǒng)分為6組20 kvar電容器組。

2.1.2.4 補償后變壓器的容量和功率因數(shù)

補償后變壓器低壓側(cè)的視在計算負荷

通過計算分析，試驗臺在工作過程中需保證從變壓器分得容量必須在264.4 kVA以上。從變壓器引入動力電的電源分配情況如圖2所示。

圖2 動力分配圖Fig.2 Power distribution diagram

380 V動力電經(jīng)過控制變壓器，給接觸器、照明提供220 V控制電;經(jīng)過直流電源給PLC、繼電器、傳感器提供24 V控制電。

刀盤電機選用施耐德ATS48C41Q軟啟動器啟動電機，有效降低啟動瞬間峰值電流，從而避免對電機及電網(wǎng)的沖擊。推進電機選用施耐德ATS48C17Q啟動。皮帶機電機功率小，選用接觸器直接啟動方式。

2.2 試驗臺控制系統(tǒng)

目前市場上可編程控制器種類繁多，綜合分析各品牌PLC的優(yōu)缺點。西門子PLC通訊控制是其強項，指令較少，程序相對簡單，模擬量模塊較之其他主流PLC價格相對便宜［7］。故該試驗臺控制系統(tǒng)選用西門子300控制器做為主站，倍福控制器和阿托斯油缸控制器做為從站聯(lián)合組成［8］。

西門子300安裝于電氣控制柜中，主要控制電機啟動，采集傳感器信號，控制電磁閥;倍福安裝于琴臺內(nèi)，通過數(shù)字量輸入通道采集琴臺按鈕輸入信號，通過輸出通道控制按鈕燈的閃爍狀態(tài)，模擬量輸入通道采集電位計輸入0～10 V電壓值，通過Profibus傳輸?shù)脚潆姽馪LC參與控制，阿托斯控制器采集油缸的壓力、位移等信號，控制油缸同步推進。

PLC通過網(wǎng)線與上位機電腦連接并進行數(shù)據(jù)傳輸，將邏輯運算結(jié)果在上位機上顯示［9］。并采集上位機觸屏輸入的數(shù)據(jù)參與控制。數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)原理圖Fig.3 Principle of control system

2.2.1 信號檢測

在主驅(qū)動泵和推進泵處，設(shè)置有高壓口壓力傳感器，通過4～20 mA電流傳送給 S7－300進行采集、處理、運算［10］。運算結(jié)果經(jīng)網(wǎng)線傳送至琴臺上位機顯示。

在主驅(qū)動和推進系統(tǒng)高壓油回路中設(shè)置有過濾器堵塞檢測壓差傳感器，當(dāng)過濾器堵塞時，采集進來的數(shù)字量經(jīng)PLC采集并在上位機給出報警信息，提示設(shè)備操作人員進行處理。

在試驗臺工作時，會產(chǎn)生大量熱量使液壓油溫度升高，溫度過高的液壓油會對液壓泵及其他液壓精密閥組造成損壞，因此該試驗臺配備有主驅(qū)動刀盤溫度傳感器和油箱溫度傳感器，通過4～20 mA電流傳送給PLC進行采集、運算。經(jīng)過網(wǎng)線傳輸將液壓油溫度實時在上位機中顯示并發(fā)出報警信息，提醒操作人員注意和采取相應(yīng)措施。

為達到試驗?zāi)康模杉_的推力，并利用PID反饋控制油缸精確同步。設(shè)計在4組油缸分別裝有有桿腔壓力傳感器、無桿腔壓力傳感器和位移傳感器，通過模擬量信號4～20 mA電流傳送給PLC模擬量通道進行采集［11］，參與油缸同步反饋控制，并通過網(wǎng)線在上位機上顯示。

在主驅(qū)動減速箱上，設(shè)置有轉(zhuǎn)速接近開關(guān)。在主驅(qū)動運轉(zhuǎn)時通過測量齒數(shù)將采集到的電壓信號傳輸?shù)綀D爾克轉(zhuǎn)速監(jiān)控器，再通過轉(zhuǎn)速監(jiān)控器將采集的脈沖信號轉(zhuǎn)換為4～20 mA的模擬量信號，提供給PLC模擬量輸入進行采集轉(zhuǎn)換，并在上位機顯示出來且參與程序的邏輯運算。刀盤的速度檢測電路如圖4所示。

圖4 刀盤轉(zhuǎn)速檢測原理圖Fig.4 Schematic diagram of testing of cutter head rotation speed

2.2.2 速度控制裝置

為滿足試驗需求，刀盤速度有2種控制方式，通過琴臺撥動開關(guān)來對2種速度控制模式進行切換。

一種為放大板VT3000進行控制，在電氣控制電路中，設(shè)置有速度控制使能繼電器，當(dāng)速度控制允許的情況下，放大板使能端得電，放大板工作。通過S7－300上面的模擬量輸出模塊，輸出－10 V到+10 V的電壓，作為放大板的輸入信號;當(dāng)輸入0到－10 V時，左旋轉(zhuǎn)通道激活，輸出的電流值與電壓成正比，當(dāng)輸入0到10 V時，右旋轉(zhuǎn)通道激活，輸出的電流值與電壓成正比。比例電磁閥的開口度與閥的電流成正比，因此管路的流量受到控制，最終控制了刀盤的轉(zhuǎn)速。電氣控制電路原理圖如5所示。

另一種為轉(zhuǎn)速顯示屏輸入，通過工業(yè)電腦輸入轉(zhuǎn)速值(0～6 r/min)。將輸入轉(zhuǎn)速值與實際測量算的轉(zhuǎn)速值進行比對，通過PID反饋控制［12］，不斷調(diào)整PLC輸出到比例閥的電流大小，通過實時調(diào)整比例閥的開口度，調(diào)節(jié)刀盤轉(zhuǎn)速，使轉(zhuǎn)速無限趨近與輸入轉(zhuǎn)速值。

圖5 刀盤速度電位計控制原理圖Fig.5 Schematic diagram of potentiometer control of cutter head rotation speed

3 試驗臺邏輯功能

根據(jù)試驗臺需要完成的試驗和采集相關(guān)數(shù)據(jù)的需求，系統(tǒng)安裝多個壓力傳感器、過濾器、溫度傳感器。通過PLC數(shù)據(jù)傳輸模塊采集，參與運算處理，運算結(jié)果通過以太網(wǎng)通訊在上位機上顯示。在液壓回路中相應(yīng)安裝電控調(diào)節(jié)閥、溢流閥、比例調(diào)速閥，通過PLC輸出和放大版輸出來控制相關(guān)電磁閥的精確動作［13］。

為計算準確的推力，消除刀盤和油缸自重的影響，考慮設(shè)計2種工作模式:水平狀態(tài)和豎直狀態(tài)。根據(jù)實際試驗的需要，2種工作模式可通過上位機觸屏按鈕進行切換。水平狀態(tài)為模擬TBM施工過程，測算推力過程可消除刀盤自身重力影響。

在不同的地質(zhì)情況下，TBM在施工時刀盤扭矩和油缸推力不盡相同，為使實驗臺更好地為具體設(shè)計制造提供理論依據(jù)，在電氣控制中編寫相應(yīng)程序來選擇油缸和馬達的動作數(shù)量。4組油缸中可選擇兩組同時動作另外兩組油缸浮動或四組油缸同時動作。4個馬達可任意選擇動作數(shù)量。選擇開關(guān)設(shè)置為上位機觸屏按鈕，當(dāng)通過上位機選擇油缸和馬達動作數(shù)量后，數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳輸?shù)絇LC，控制相應(yīng)輸出點狀態(tài)，控制相應(yīng)閥組的失電狀況。從而達到所選工作模式。

推進過程:在推進開始前也就是上電后，先檢測油缸是否同步，如果不同步，上位機給出報警信號，油缸控制系統(tǒng)給出油缸伸出信號，使油缸伸出到初始位置。再根據(jù)上位機給出的信號選擇不同的工作模式(豎直模式和水平模式);4根油缸同時動作模式;2根動作2根浮動模式。然后再執(zhí)行相應(yīng)的推進操作。

推進過程中按下推進按鈕，油缸開始推進，比例伺服閥得電，4個電磁球閥得電，通過電位器調(diào)節(jié)推進速度。

刀盤旋轉(zhuǎn)過程:根據(jù)報警信息，排除電氣控制相應(yīng)故障點。啟動主驅(qū)動電機，選擇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)模式，選擇刀盤順時針或者逆時針旋轉(zhuǎn)，啟動刀盤旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。

試驗中傳感器信號和通過程序計算的相應(yīng)試驗參數(shù)在上位機電腦上顯示，顯示界面如圖6所示。

圖6 上位機主界面顯示Fig.6 Main interface of PC

4 試驗臺完成試驗

4.1 試驗1:TBM切削試驗

水平狀態(tài)工作模式，模擬TBM掘進原理進行設(shè)計。在試驗中，刀盤扭矩、轉(zhuǎn)速、貫入度、推進力等參數(shù)通過PLC邏輯運算經(jīng)以太網(wǎng)傳輸能動態(tài)自動存儲到上位機Excel表中。顯示界面如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)查詢記錄Fig.7 Data query log

4.2 試驗2:推力－扭矩試驗、轉(zhuǎn)速－扭矩試驗

通過選擇不同試驗?zāi)Ｊ?，形成推力－扭矩試驗和轉(zhuǎn)速－扭矩試驗，試驗曲線在上位機上動態(tài)顯示，方便直觀地看出不同推力、轉(zhuǎn)速下扭矩的大小。實驗數(shù)據(jù)動態(tài)存儲到Excel表格中。顯示界面如圖8所示。

4.3 試驗3:恒轉(zhuǎn)速推力－侵深試驗

轉(zhuǎn)速通過電位器調(diào)節(jié)或者顯示屏輸入保持恒定，通過試驗形成推力－侵深曲線，試驗數(shù)據(jù)能動態(tài)存儲到Excel表格中。顯示界面如圖8所示。

圖8 上位機曲線界面顯示Fig.8 Curve display interface of PC

5 結(jié)論和討論

該電氣控制系統(tǒng)已在國家重點實驗室刀具檢測試驗臺上成功運用，并通過實驗達到了預(yù)期目的。實驗過程中，可以通過模式轉(zhuǎn)換消除刀盤和油缸自重的影響，得到更精確的數(shù)據(jù)。同時可根據(jù)實驗土質(zhì)不同，選擇馬達和油缸動作的數(shù)量，記錄針對性的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)可通過PLC傳輸?shù)焦I(yè)電腦，自動存儲于Excel表格中存檔，同時可生產(chǎn)刀具破巖時的壓力、侵深、貫入度、扭矩等相應(yīng)數(shù)據(jù)曲線，為后期盾構(gòu)、TBM刀具選型提供依據(jù)。

隨著盾構(gòu)及TBM的使用越來越普及，針對不同地質(zhì)情況量身定制刀盤及滾刀布置情況顯得尤為重要。通過本試驗臺實驗數(shù)據(jù)，可以為滾刀選型及配置提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)支持。當(dāng)然，本項目仍存在以下問題，本文僅有數(shù)據(jù)曲線，缺少破巖瞬間畫面直觀顯示，后期可以考慮添加聲發(fā)射系統(tǒng)，高速攝像機等。

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